[pt] O objetivo deste trabalho foi a análise macro-mecânica do comportamento da terra como argamassa para revestimentos de terra. Não foram encontradas referências a estudos semelhantes a este, tratando-se portanto de um estudo pioneiro, no Brasil e no exterior. Os revestimentos foram aplicados em um substrato de terra batida de 50 e 30 cm de altura e de largura, respectivamente. Foram analisados revestimentos fabricados com 17,5%, 12%, 9% e 6% em peso de argila em relação ao material seco para dois solos distintos: Tassin (ilítico) e Rochechinard (caulinítico). Como revestimento de referência, foi fabricada uma argamassa de cal e areia (1:3). Além disso, foi avaliado o efeito da inclusão de duas fibras existentes no mercado: fibras curtas de sisal (Agave sisalana), naturais do Brasil, e resíduos de fabricação de fibras curtas de cânhamo (Cannabis sativa), provenientes da França. Tais fibras foram empregadas somente em corpos-deprova de Rochechinard com 17,5% e 12% em peso de argila em relação ao material seco, e adicionadas ao solo em uma porcentagem de 0,5% do peso do solo seco, com as mãos. Sisal possui seção circular com valores médios de 0,15 mm de diâmetro e 40 mm de comprimento; cânhamo é considerado como seção retangular de 2x5 mm de área e comprimento de 20 mm. Para todos os revestimentos foram realizadas observações visuais in situ da retração. Em seguida, os revestimentos foram ensaiados ao cisalhamento através da adição de 250 g, até a ruptura, a cada 30 s em um quadro retangular de madeira, que era pendurado nas amostras. No laboratório, a retração restringida em 4 lados e a resistência à flexão foram testadas em amostras prismáticas. Foi observado que tanto a retração quanto a resistência à flexão aumentam com o teor de argila. Além disso, os compósitos de solo com sisal apresentaram, em geral, maiores resistências àqueles em que houve emprego de cânhamo. / [en] This work analyzes the macro-mechanical behavior of earth when it is used as a raw material for finishing. It is a pioneer study in Brazil and abroad. The finishings were applied on a rammed earth wall of 50 of height and 30 cm of width. Finishings fabricated with four different clay contents (17,5%, 12%, 9% and 6% by weight of clay in relation to the dry material) were analyzed for two different soils. Each one of these soils has a predominant type of clay: Tassin (with illite in greater quantity) and Rochechinard (with kaolinite in greater quantity). As a reference finishing, it was fabricated a mortar of lime and sand (1:3). Furthermore, the behavior of two fibers was evaluated: short sisal fibers (Agave sisalana), natural from Brazil, and residue from the manufacture of short hemp fibers (Cannabis sativa), from France. These fibers were used only in samples of Rochechinard with two clay contents (17.5% and 12% by weight of clay in relation to the dry material). The fibers were added to the soil on a percentage of 0.5% by weight of dry soil, manually. Sisal has circular section with average values of 0.15 mm of diameter and 40 mm long; hemp fiber is considered as a rectangular section with 2 mm of height, 5 mm of width and 20 mm long. For all finishings, visual observations of shrinkage were performed in situ. Those finishings with higher clay content dropped from the support. The finishings which did not fell were tested in shear. For this, a load of 250 g was added, until rupture, in every 30s on a rectangular wood frame (600 g weight), that was hung in the samples. In laboratory, linear shrinkage and flexural strength were tested on prismatic samples. It was observed that both shrinkage and flexural strength increase with clay content. Regarding the addition of fibers, it was found that the composites fabricated with sisal had generally better results than those with hemp.

Este trabalho avalia as vantagens do uso das fibras curtas de polpa de Eucalipto tanto como alternativa às fibras longas de polpa de Pinus, como também para fibras sintéticas, tradicionalmente usadas no reforço de materiais cimentícios. Os efeitos da morfologia (comprimento, largura, fibrilação, conteúdo de finos, número de fibras por grama, etc.) das fibras celulósicas no processamento, no desempenho mecânico e físico e na microestrutura dos compósitos de fibrocimento foram avaliados. Os compósitos foram avaliados antes e após ciclos de envelhecimento acelerado. Fibras de Eucalipto apresentaram melhor dispersão na matriz cimentícia e forneceram maior densidade de fibras em massa ou em volume, em relação às fibras de Pinus. As fibras curtas permitem um reforço efetivo da matriz frágil, diminuindo a propagação das fissuras, o que contribuiu para o melhor desempenho mecânico dos compósitos após envelhecimento. Estes resultados promissores mostram o potencial apresentado pelas fibras curtas de Eucalipto para reduzir custos, em vista da substituição parcial das fibras sintéticas em processos de cura ao ar, e durante o refino da polpa celulósica. O efeito do branqueamento das fibras também foi avaliado, e mostrou que as fibras branqueadas de Eucalipto são mais reativas para se ligarem por pontes de hidrogênio com a matriz cimentícia. Fibras branqueadas melhoraram a interface entre fibra e matriz, embora apresentassem mais sinais de mineralização (re-precipitação de produtos de hidratação dentro das fibras) do que as fibras não-branqueadas. O refino da polpa celulósica foi utilizado para modificar as propriedades morfológicas das fibras de Eucalipto e Pinus. Os resultados mostraram que são necessárias maiores intensidade de refino na polpa de Pinus para obter valores de retenção de sólidos do cimento similares àqueles obtidos com fibras não-refinadas de Eucalipto. O refino aumentou a capacidade das fibras de capturar as partículas minerais, melhorando a aderência das fibras com a matriz. Esta melhor interface entre fibra e matriz melhorou as propriedades mecânicas dos compósitos aos 28 dias de cura, mas os tornou mais frágeis após os ciclos de envelhecimento acelerado. A modificação química da superfície das fibras foi realizada com o objetivo de melhorar as ligações entre fibra e matriz e diminuir a mineralização da fibra dentro dos compósitos. Esta modificação química foi realizada com Metacriloxipropiltri-metoxisilano (MPTS) e Aminopropiltri-etoxisilano (APTS) e mostrou influenciar significativamente a microestrutura dos compósitos. Ciclos de envelhecimento acelerado diminuíram o módulo de ruptura (MOR) e a tenacidade (TE) dos compósitos com fibras não-modificadas e modificadas; entretanto, compósitos reforçados com fibras modificadas com MPTS apresentaram fibras sem produtos de hidratação do cimento em seu interior, enquanto que fibras modificadas com APTS apresentaram acelerada mineralização. Fibras mineralizadas tornam os compósitos mais frágeis após os ciclos de envelhecimento acelerado. Estas observações são, portanto, muito úteis para o entendimento da contribuição de diferentes condições das fibras (composição química, resistência mecânica, morfologia e propriedades de superfície) para os mecanismos de aderência entre fibras e matriz cimentícia, de mineralização das fibras e de degradação dos compósitos de fibrocimento. / This work evaluates the advantages of using hardwood short fibre pulp (Eucalyptus) as alternative to softwood long fibre pulp (Pinus) and synthetic fibres, traditionally used in reinforcement of cement based materials. The effects of cellulose fibre morphology (e.g., length, width, fibrillation, content of fines and number of fibres per gram) on the processing, on the mechanical and physical performance and on the microstructure of fibre-cement composites were evaluated. Composites were evaluated before and after accelerated ageing cycles. Eucalyptus pulp fibres were better dispersed in the cement matrix and provided higher number of fibres per unitary weight or volume, in relation to Pinus long fibre pulp. The short reinforcing elements lead to an effective crack bridging of the fragile matrix, which contributes to the improvement of the mechanical performance of the composite after ageing. These promising results show the potential of eucalyptus short fibres for reducing costs by both the partial replacement of expensive synthetic fibres in air curing process and the energy savings during pulp refining. The effects of pulp bleaching were also evaluated, and showed that Eucalyptus bleached fibres are more reactive to bond with the cement matrix by hydrogen bonds. Bleached fibres improved the fibre-matrix interface, although they presented more signals of fibre mineralization. Mechanical refining was used to change the morphological properties of Eucalyptus and Pinus pulps. Results show that high levels of refining were necessary for Pinus pulp to obtain cement retention values similar to those obtained by unrefined Eucalyptus pulp. The mechanical refining increased the capacity of the fibres to capture the mineral particles improving the adherence of the fibres with the matrix. This improved fibre-matrix interface led to better mechanical properties at 28 days of cure, but turned brittle the composites after 200 ageing cycles. The chemical surface modification of cellulose pulp fibres was done in order to improve fibre-matrix bonding and to decrease fibre mineralization into the composite. Surface modification of the cellulose pulps was performed with Methacryloxypropyltri-methoxysilane (MPTS) and Aminopropyltri-ethoxysilane (APTS) and showed significant influence on the microstructure of the composites. Accelerated ageing cycles decreased modulus of rupture (MOR) and toughness (TE) of the composites with unmodified and modified fibres, however composites reinforced with MPTS-modified fibres presented fibres free from cement hydration products, while APTS-modified fibres presented accelerated mineralization. Higher mineralization of the fibres led to higher embrittlement of the composite after accelerated ageing cycles. These observations are therefore very useful for understanding the contribution of the different fibre conditions (chemical composition, mechanical strength, morphology and surface properties) to the mechanisms of fibre-matrix adherence, fibre mineralization and degradation of fibre-cement composites.

[pt] O presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento e a durabilidade de solos reforçados com fibras de vegetais (sisal e curauá) aleatoriamente distribuídas, submetidos ao envelhecimento natural por exposição às condições ambientais diversas, visando mostrar o seu potencial de utilização em obras de terra. O programa experimental consistiu na realização de ensaios triaxiais convencionais em amostras de areia e areia-fibras no tempo zero (de controle) e em compósitos expostos aos agentes do ambiente externo por até 8 meses. Visando melhorar a durabilidade desses compósitos, foi avaliado também o comportamento mecânico destes com as fibras vegetais tratadas por impermeabilização superficial, com sílica coloidal e com polímero estireno butadieno. Para buscar explicar a variação nos resultados obtidos, ensaios de tração direta, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia na região do infravermelho e análise de perda de massa foram realizados nas fibras após cada período de exposição (0, 60, 120 e 240 dias). A análise global dos resultados permitiu identificar que os efeitos do envelhecimento natural afetaram consideravelmente o comportamento mecânico das fibras vegetais, o que consequentemente vieram a afetar o comportamento mecânico dos compósitos areia-fibra vegetal. As perdas de resistência ao cisalhamento foram mais relevantes e acentuadas nos compósitos com fibras de curauá, indicando que estas fibras, mesmo apresentando maior resistência à tração sem exposição, são mais susceptíveis à degradação em ambientes naturais do que as fibras de sisal. O tratamento superficial das fibras por impregnação com sílica coloidal resultou em melhorias no comportamento mecânico deste compósito, proporcionando também uma maior vida útil das fibras com relação à degradação. Mesmo com a perda do comportamento mecânico das fibras, após 8 meses de exposição aos agentes climáticos, estas continuaram contribuindo como elemento de reforço na matriz arenosa, visto que um dos parâmetros de resistência permaneceu maior quando comparado ao solo arenoso sem reforço. / [en] The objective of this work is to study the behavior and durability of soils reinforced with randomly distributed vegetal fibers (sisal and curauá) submitted to natural aging by their exposure to diverse environmental conditions, aiming to boost its use in earthworks. The experimental program consisted of conventional triaxial tests on sand and sand-fibers samples at zero time (sample control) and on composites exposed to agents from the external environment for up to 8 months. In order to improve the durability of these composites, it was also evaluated the mechanical behavior of these with vegetal fibers treated by surface waterproofing, with colloidal silica and styrene butadiene polymer. In order to explain the variation in the obtained results, direct tensile tests, scanning electron microscopy, infrared spectroscopy and mass loss analysis were performed on the fibers after each exposure period (0, 60, 120 and 240 days). The overall analysis of the results allowed to identify that the effects of natural aging had a significant effect on the mechanical behavior of the vegetable fibers, which consequently affected the mechanical behavior of the sand-fiber composites. Shear strength losses were more relevant and accentuated in composites with curauá fibers, indicating that these fibers, even with higher tensile strength without exposure, are more susceptible to degradation in natural environments than sisal fibers. Surface treatment of the fibers by impregnation with colloidal silica resulted in improvements in the mechanical behavior of this composite, also providing a longer fiber life with respect to degradation. Even with the loss of mechanical behavior of the fibers, after 8 months of exposure to the climatic agents, they continued to contribute as a reinforcing element in the sandy matrix, since one of the resistance parameters remained higher when compared to the sandy soil without reinforcement.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 4124460 bytes, checksum: b1308b52af8710e348b248c71f0f952b (MD5) Previous issue date: 2011-09-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The use of vegetable fibers as a reinforcing agent in geopolymers, represents an alternative to the replacement of manufactured fibers as a reinforcing agent. The pineapple leaf, an abundant plant in the region and with easy cultivation and processing, which produces low modulus of good mechanical performance fibers, emerges as an ecologically viable and sustainable alternative. In this work, fiber ananas comosus and agave sisalana have been characterized by a process of selection, cleaning, washing, drying and cutting of fresh blankets for the production of composites based on geopolymer matrix. The good mechanical performance and the possibility of using industrial waste materials and the abundance of precursors materials of the region favor the use of geopolymer matrix in obtaining the bodies of proof used in this study. The use of vegetable fibers (ananas comosus and agave sisalana) as a reinforcing agent in geopolymer to obtain composites provided gain in quality to the mechanical properties of the matrix. We conclude that the ratio Si / Al is one of the main variables controlling the process of geopolymerization. However, a better relationship of the interface fiber / matrix produces accommodation and better performance with and absorption of considerable effort on the part of the composite. This behavior is influenced by variations in temperature, pressure and flow of geopolymer used as a matrix. During this study, thermal analysis techniques (TG, DTG, DTA), microscopy (MEV) and spectroscopy (XRF, DRX) as well as mechanical and chemical tests were used to characterize the materials used in this work. Also presented are the results of mechanical tests of composites with sisal and pineapple tree fibers, and micro-structural behavior, when it will be possible to compare the benefits of vegetable fiber added to the performance and resistance of bodies of proof. / O uso de fibras vegetais como agente de reforço em geopolímeros, representa uma alternativa na substituição de fibras manufaturadas como agente de reforço, a folha do abacaxizeiro, uma planta abundante na região e de fácil cultivo e processamento, que produz fibras de baixo módulo de ótimo desempenho mecânico, surge como alternativa ecologicamente viável e sustentável. Neste trabalho, fibras de ananas comosus e agave sisalana foram caracterizadas passaram por um processo de seleção, limpeza, lavagem, secagem e corte das mantas in natura para produção de compósitos a base de matriz geopolimérica. O bom desempenho mecânico aliado a possibilidade de utilização de resíduos industriais e a abundância de materiais precursores da região favorecem a utilização do geopolímero como matriz na obtenção dos corpos-de-prova usados nesse estudo. A utilização de fibras vegetais (ananas comosus e agave sisalana) como agente de reforço em geopolímero para obtenção de compósitos proporcionou ganho de qualidade às propriedades mecânicas da matriz. Concluímos que a razão Si/Al é uma das principais variáveis de controle do processo de geopolimerização, todavia uma melhor relação da interface fibra/matriz produz acomodação e melhor desempenho com absorção de esforço considerável por parte do compósito. Esse comportamento é influenciado por variações de temperatura, pressão e fluidez do geopolímero utilizado como matriz. Durante esse estudo, técnicas de análise térmica (TG, DTG, DTA), microscopia (MEV) e espectroscopia (XRF, DRX), bem como ensaios mecânicos e químicos, foram utilizadas para caracterizar os materiais utilizados nesse trabalho, também são apresentados os resultados de ensaios mecânicos dos compósitos com fibras de sisal e abacaxizeiro e seu comportamento micro-estrutural, quando será possível comparar os benefícios que as fibras vegetais acrescentaram ao desempenho e resistência dos corpos-de-prova.

Este trabalho avalia as vantagens do uso das fibras curtas de polpa de Eucalipto tanto como alternativa às fibras longas de polpa de Pinus, como também para fibras sintéticas, tradicionalmente usadas no reforço de materiais cimentícios. Os efeitos da morfologia (comprimento, largura, fibrilação, conteúdo de finos, número de fibras por grama, etc.) das fibras celulósicas no processamento, no desempenho mecânico e físico e na microestrutura dos compósitos de fibrocimento foram avaliados. Os compósitos foram avaliados antes e após ciclos de envelhecimento acelerado. Fibras de Eucalipto apresentaram melhor dispersão na matriz cimentícia e forneceram maior densidade de fibras em massa ou em volume, em relação às fibras de Pinus. As fibras curtas permitem um reforço efetivo da matriz frágil, diminuindo a propagação das fissuras, o que contribuiu para o melhor desempenho mecânico dos compósitos após envelhecimento. Estes resultados promissores mostram o potencial apresentado pelas fibras curtas de Eucalipto para reduzir custos, em vista da substituição parcial das fibras sintéticas em processos de cura ao ar, e durante o refino da polpa celulósica. O efeito do branqueamento das fibras também foi avaliado, e mostrou que as fibras branqueadas de Eucalipto são mais reativas para se ligarem por pontes de hidrogênio com a matriz cimentícia. Fibras branqueadas melhoraram a interface entre fibra e matriz, embora apresentassem mais sinais de mineralização (re-precipitação de produtos de hidratação dentro das fibras) do que as fibras não-branqueadas. O refino da polpa celulósica foi utilizado para modificar as propriedades morfológicas das fibras de Eucalipto e Pinus. Os resultados mostraram que são necessárias maiores intensidade de refino na polpa de Pinus para obter valores de retenção de sólidos do cimento similares àqueles obtidos com fibras não-refinadas de Eucalipto. O refino aumentou a capacidade das fibras de capturar as partículas minerais, melhorando a aderência das fibras com a matriz. Esta melhor interface entre fibra e matriz melhorou as propriedades mecânicas dos compósitos aos 28 dias de cura, mas os tornou mais frágeis após os ciclos de envelhecimento acelerado. A modificação química da superfície das fibras foi realizada com o objetivo de melhorar as ligações entre fibra e matriz e diminuir a mineralização da fibra dentro dos compósitos. Esta modificação química foi realizada com Metacriloxipropiltri-metoxisilano (MPTS) e Aminopropiltri-etoxisilano (APTS) e mostrou influenciar significativamente a microestrutura dos compósitos. Ciclos de envelhecimento acelerado diminuíram o módulo de ruptura (MOR) e a tenacidade (TE) dos compósitos com fibras não-modificadas e modificadas; entretanto, compósitos reforçados com fibras modificadas com MPTS apresentaram fibras sem produtos de hidratação do cimento em seu interior, enquanto que fibras modificadas com APTS apresentaram acelerada mineralização. Fibras mineralizadas tornam os compósitos mais frágeis após os ciclos de envelhecimento acelerado. Estas observações são, portanto, muito úteis para o entendimento da contribuição de diferentes condições das fibras (composição química, resistência mecânica, morfologia e propriedades de superfície) para os mecanismos de aderência entre fibras e matriz cimentícia, de mineralização das fibras e de degradação dos compósitos de fibrocimento. / This work evaluates the advantages of using hardwood short fibre pulp (Eucalyptus) as alternative to softwood long fibre pulp (Pinus) and synthetic fibres, traditionally used in reinforcement of cement based materials. The effects of cellulose fibre morphology (e.g., length, width, fibrillation, content of fines and number of fibres per gram) on the processing, on the mechanical and physical performance and on the microstructure of fibre-cement composites were evaluated. Composites were evaluated before and after accelerated ageing cycles. Eucalyptus pulp fibres were better dispersed in the cement matrix and provided higher number of fibres per unitary weight or volume, in relation to Pinus long fibre pulp. The short reinforcing elements lead to an effective crack bridging of the fragile matrix, which contributes to the improvement of the mechanical performance of the composite after ageing. These promising results show the potential of eucalyptus short fibres for reducing costs by both the partial replacement of expensive synthetic fibres in air curing process and the energy savings during pulp refining. The effects of pulp bleaching were also evaluated, and showed that Eucalyptus bleached fibres are more reactive to bond with the cement matrix by hydrogen bonds. Bleached fibres improved the fibre-matrix interface, although they presented more signals of fibre mineralization. Mechanical refining was used to change the morphological properties of Eucalyptus and Pinus pulps. Results show that high levels of refining were necessary for Pinus pulp to obtain cement retention values similar to those obtained by unrefined Eucalyptus pulp. The mechanical refining increased the capacity of the fibres to capture the mineral particles improving the adherence of the fibres with the matrix. This improved fibre-matrix interface led to better mechanical properties at 28 days of cure, but turned brittle the composites after 200 ageing cycles. The chemical surface modification of cellulose pulp fibres was done in order to improve fibre-matrix bonding and to decrease fibre mineralization into the composite. Surface modification of the cellulose pulps was performed with Methacryloxypropyltri-methoxysilane (MPTS) and Aminopropyltri-ethoxysilane (APTS) and showed significant influence on the microstructure of the composites. Accelerated ageing cycles decreased modulus of rupture (MOR) and toughness (TE) of the composites with unmodified and modified fibres, however composites reinforced with MPTS-modified fibres presented fibres free from cement hydration products, while APTS-modified fibres presented accelerated mineralization. Higher mineralization of the fibres led to higher embrittlement of the composite after accelerated ageing cycles. These observations are therefore very useful for understanding the contribution of the different fibre conditions (chemical composition, mechanical strength, morphology and surface properties) to the mechanisms of fibre-matrix adherence, fibre mineralization and degradation of fibre-cement composites.

[pt] A insustentabilidade da construção civil tem motivado a busca, nas últimas três décadas, de materiais e tecnologias que envolvam menores quantidades de energia, gerem menos resíduos e poluentes. O Grupo de Pesquisa de Materiais e Tecnologias Não-Convencionais da PUC-Rio tem dedicado esforços neste sentido, gerando e divulgando conhecimento sobre materiais ecológicos que sejam, acessíveis à população de baixa renda e menos dependentes de tecnologias e indústrias multinacionais. Dentre estas tecnologias alternativas, citam-se as construções com terra, por apresentarem baixo consumo energético e emissão de poluentes, além da matéria prima (solo) estar disponível abundantemente para uso. Assim, é uma solução eficaz para o combate aos problemas ambientais e as desigualdades sociais. Porém, para que as construções sejam resistentes e duráveis, métodos de estabilização são utilizados com freqüência. Esta dissertação avaliou a influência da adição de fibras vegetais (curauá e sisal) em matrizes de solo, as fibras possuem comprimento de 25 e 35 mm, adicionados em 0,5% e 1%, em peso de solo seco, juntamente com adições de 4 e 6% de cimento. Sob carregamento estático, são moldados e extraídos espécimes cilíndricos (50x100 mm), assim, ensaios comuns a argamassas são utilizados para avaliar a resistência das misturas. Os resultados indicam a potencialidade do processo de compactação desenvolvido. A estabilização química acresceu na rigidez e resistência final dos compósitos. A estabilização mecânica conduziu a espécimes de menor porosidade e juntamente com a estabilização física proporcionou o enrijecimento das misturas. Observa-se que as fibras melhoraram a capacidade de absorção de energia pós-fissuração, impedindo a ruptura frágil das matrizes. / [en] The development of low cost and energy, saving construction materials such as Bamboo, vegetable fibers soil and different types of residues has been the subject of extensive research since 1979 at PUC-Rio. These materials are now called the Non-Conventional Materials and Technologies (NOCMAT) are investigated in order to substitute the industrialized materials which have contributed significantly to the climate change of our globe. It is now well established that the most commonly used construction material Portland cement is one of the most polluting one and its use needs to be reduced or to be substituted. In addition with the expansion of the centralized industrialized materials the gap between poor and rich is becoming wider and wider. Stabilized earth construction has been studied by NOCMAT group. This thesis presents the recent results of an investigation into the behavior of stabilized soil using vegetable fibers and/or cement. The considered variables in this research program are: the influence of two types of vegetable fiber, Curauá and Sisal, as reinforcement in two types of soil matrix, Clayey and Sandy soils. The considered fibers were of 25 and 35 mm length, with weight fractions of 0,5% and 1%, in relation to soil dry weight. The studied chemical stabilizers were 4% and 6% of cement in relation to dry soil weight. Cylindrical specimens of the size 50x100 mm were used to establish the compression behavior and the tensile strength through diagonal compression tests. The results indicate that the process of soil compacting is an effective method and the chemical stabilization increased the rigidity and the strength of the composites. It was found that the vegetable fibers have improved the postcracking behavior of the developed composites.

[pt] A aplicação de compósitos cimentícios usando fibras vegetais, em substituição a fibras de asbestos, é uma realidade em indústrias de fibrocimento em vários países do mundo, pois, apesar das boas propriedades mecânicas e durabilidade, a utilização de asbestos acarreta problemas de insalubridade. Fibras vegetais, pela disponibilidade e adequação à preservação ambiental, apresentam vantagens sobre fibras sintéticas. O bambu é excelente fornecedor de fibras, pelo rápido crescimento, baixo custo e qualidade das fibras. Usando-se a polpa do vegetal, pode-se inserir maiores teores de fibras que, distribuídas aleatoriamente, conferem características isotrópicas ao compósito. Estudos são realizados, visando melhorar o desempenho dos compósitos com fibras vegetais. Retração e fluência se constituem em formas de deformação ao longo do tempo que podem comprometer o desempenho e reduzir a durabilidade do material. Tratando-se de materiais heterogêneos e sujeitos à presença de falhas, em diversos níveis, a aplicação da mecânica da fratura pode tornar-se valiosa ferramenta para projeto e controle da integridade desses compósitos, sendo a inibição da iniciação e propagação de trincas uma das principais funções do reforço de fibras curtas. Esse trabalho buscou analisar o comportamento de compósitos cimentícios reforçados com polpa de bambu, quanto à retração e à fluência, e obter parâmetros que descrevessem seu modo de fratura. Enquanto a capacidade de sofrer retração plástica foi reduzida, a retração livre na secagem cresceu com o aumento do teor de polpa de bambu no compósito, chegando a 40% de incremento para 14% de polpa, após um ano. Sob retração restringida, resultados mostraram melhor desempenho dos compósitos com fibras, pela ausência de fissuras detectáveis por fissurômetro, em relação à matriz sem reforço, que apresentou fissura em torno de 4 horas de exposição à secagem. Estudo da reversibilidade da retração mostrou que para os compósitos predominam as deformações de contração. Houve aumento da fluência sob compressão simples, com a inserção do reforço fibroso na mistura. Na fluência sob flexão, houve aumento da fluência específica na face comprimida com o aumento do teor de polpa na mistura. A fluência específica sob tração na flexão resultou maior para a matriz sem reforço do que para os compósitos com polpa de bambu. No estudo sobre mecânica da fratura, os corposde- prova entalhados de compósito com polpa apresentaram melhoria considerável no comportamento à flexão em relação à matriz sem reforço. Os compósitos com polpa mostraram-se menos sensíveis ao entalhe, com o incremento do teor de reforço fibroso. Observou-se considerável amolecimento (softening) precedendo a ruptura devido à propagação da trinca, nos compósitos. As curvas de resistência (curvas-R) permitiram identificar os valores de KIR que, nos compósitos, mostrou manter certa constância, com o aumento do comprimento da trinca. Nesse platô da curva, os valores médios para KIR foram de 1,88 MPa.m1/2 e 1,84 MPa.m1/2, respectivamente, para compósitos com 8% e 14% de polpa de bambu. Nos compósitos, os perfis dos caminhos trilhados pelas trincas no crescimento foram tortuosos, sendo o mecanismo de fratura mais intensamente dominado pela presença do entalhe inicial na matriz sem reforço que nos compósitos. / [en] The application of cimentitious composites using vegetal fibers in substitution of asbestos is a worldwide fact in the fiber cement industry. Despite their good mechanical properties and durability, the use of asbestos fibers causes well-known health hazards. Although vegetal fibers have relatively poor mechanical properties compared with synthetic fibers, they have other advantages such as low cost and low energy demand during manufacture. Bamboo is an excellent fiber supplier, due to its fast growth and the quality of its fibers. Using vegetal pulp it is possible to insert considerable amounts of fiber in a cement matrix, which randomly distributed confer isotropic characteristics to the composite. Studies are carried out aiming to improve the performance of composites with vegetal fibers. Shrinkage and creep are sorts of time depending deformation that may significantly reduce the durability and performance of the cement based composite. Cementitious composites are essentially heterogeneous materials subject to the presence of flaws at different levels due to the presence of many internal microcraks in the material prior to loading. Therefore, the application of fracture mechanics could become a suitable tool for the design and control of the integrity of these composites, since the inhibition of crack initiation and propagation is one of the main functions of the short fiber reinforcement. This work sought to analyze the behavior of cimentitious composites reinforced with bamboo pulp under shrinkage and creep and to provide sufficient fracture parameters to describe the failure mode of the material. The results show that, whereas the plastic shrinkage reduces, the free drying shrinkage increases proportionally to bamboo pulp content in the composite, reaching a 40% increment for a 14% pulp content, after one year. Under restrained shrinkage, the composite with bamboo pulp presents better performance than unreinforced matrix. Namely, under same boundary conditions, while the unreinforced matrix presents cracks after about four hours, the composites present no cracks visible through a 10x magnifying glass, even after forty five days of drying. Study of the shrinkage reversibility of the composite showed that there is contraction deformation prevalence. Under simple compression, the creep capacity of the bamboo pulp composites increases proportionally with the fiber content. Under bending stress, there was an increase of the specific creep in the compressed face of the specimen, as the pulp content of the mixture increases. The specific creep under bending tension for the tensile face was greater for the unreinforced matrix than in the bamboo pulp composites. As revealed through the assessment of fracture behavior of composites with bamboo pulp, notched specimens presented a considerable improvement in bending behavior when compared to the unreinforced matrix. The composites with pulp became less sensible to the notch with the increment of pulp content. In the bamboo pulp composites, considerable softening was observed in the load-displacement curve, as load gradually decreases after the peak load and before the rupture due to crack propagation. Using resistance curves (R-curves) it was possible to identify the KIR values that, for the composites, kept certain constancy as the crack length increased. At this plateau of the curve, the average values for KIR reached 1,88 MPa.m1/2 and 1,84 MPa.m1/2 for composites with bamboo pulp content of 8% and 14% respectively. In the composites, crack profiles and crack surfaces were tortuous, while in the unreinforced matrix the fracture mechanisms were more intensely dominated by the presence of the initial notch.

[pt] Os profissionais da construção civil vêm se tornando mais conscientes sobre seu papel no agravamento dos problemas ambientais, levando estes à procura de métodos e materiais que apresentem menos impacto ambiental. O uso de fibras vegetais como reforço vem sendo feito ao longo dos anos de forma a melhorar as propriedades mecânicas de compósitos, sendo estas de caráter renovável e biodegradáveis. A presente pesquisa visa a caracterização de biocompósitos para fabricação de habitações sociais de baixo impacto ambiental através do processo de moldagem por compressão das placas de vedação de tecido de fibra de juta e matriz de poliuretano vegetal e de impressão 3D de perfis e ligações de PLA e fibra vegetal de juta, sisal e rami. Para as placas moldadas por compressão foi feito um estudo da influência da direção da fibra nas propriedades mecânicas, constatando, através de ensaio de flexão monotônica, que a direção principal da fibra (urdume do tecido) apresenta a melhor resistência e maior rigidez, alcançando 37,2 mais ou menos 0,9MPa e 10,4 mais ou menos 1,1GPa, respectivamente. Analisando os efeitos à longo prazo, foi estudado o efeito da radiação ultravioleta nas placas, onde foram feitos ensaios em corpos de prova nas direções 0 graus e 90 graus expostos a uma lâmpada ultravioleta de 365nm por 3 (três) meses. Além disso, com os resultados dos ensaios foi possível aplicar a regra das misturas de forma inversa na determinação das propriedades da fibra e da matriz. Para os compósitos impressos 3D foi analisada a influência do tipo de fibra na resistência à tração e rigidez do material. Pelo ensaio à tração foram constatados aumentos significativos na resistência com o uso de fibras de rami (61,8 por cento) e sisal (110,8 por cento), chegando à resistência de 45,5 mais ou menos 6,1MPa e 59,3 mais ou menos 4,1MPa, respectivamente. / [en] Civil construction professionals have become more aware of their role in aggravating environmental problems, leading them to search for methods and materials that have less environmental impact. Vegetable fibers have been used as reinforcement over the years to improve the mechanical properties of composites, which are renewable and biodegradable. This research aims at the characterization of biocomposites for social housing manufacture with low environmental impact through the sealing plates compression molded process of jute fiber fabric and vegetable polyurethane matrix and 3D printing of PLA profiles and connections of jute, sisal, and ramie vegetable fiber. For the compression molded plates, a study was made to determine the influence of fiber direction on mechanical properties, noting, through a monotonic bending test, that the main fiber direction (warp of the fabric) has the highest resistance and stiffness, with 37.2 plus or minus 0.9MPa and 10.4 plus or minus 1.1GPa, respectively. Analyzing long term effects, the plates were exposed to ultraviolet radiation. In these tests, the specimens were exposed to a 365nm ultraviolet lamp during three months before being submitted to directional resistance trials in 0 degrees and 90 degrees. Furthermore, with the test results, it was possible to apply the mixing rule inversely to determine the fiber and matrix properties. For 3D printed composites, the influence of fiber type on the material s tensile strength and stiffness was analyzed. The tensile test found significant increases in strength with the use of ramie (61.83 percent) and sisal (110.80 percent) fibers, reaching a strength of 45.5 plus or minus 6.1MPa and 59.3 plus or minus 4.1MPa, respectively.

Estudos anteriores utilizando matriz cimentícia reforçada exclusivamente com fibras vegetais propiciaram a produção de telhas com desempenho aceitável nas idades iniciais. Porém, com o envelhecimento natural, as telhas apresentaram significativa redução do desempenho mecânico, fato este atribuído principalmente ao ataque alcalino da matriz cimentícia. A presente pesquisa teve como objetivo o aprimoramento de telhas onduladas de fibrocimento sem amianto, a partir de processo automatizado. A primeira etapa do trabalho consistiu na avaliação do efeito da intensidade de refino da polpa Kraft de sisal (Agave sisalana) nas propriedades mecânicas e físicas de placas planas baseadas em matriz de cimento Portland, e o uso conjunto com fibras de poliproprileno (PP). Esta etapa envolveu também a caracterização dos principais atributos das polpas celulósicas refinadas, bem como a caracterização microestrutural (microscopia eletrônica de varredura e porosimetria por intrusão de mercúrio) do material resultante após envelhecimento acelerado e em ambiente natural. Na segunda etapa, séries de telhas onduladas de fibrocimento foram produzidas por técnica de sucção do excesso de água e prensagem, utilizando os melhores parâmetros definidos na etapa anterior. Os efeitos da cura acelerada em autoclave e dos envelhecimentos acelerados (carbonatação acelerada, imersão-secagem e calor-chuva) nas propriedades mecânicas e físicas das telhas foram avaliados. Os resultados obtidos mostraram a grande contribuição do refino da polpa celulósica na melhoria da resistência dos compósitos. Altas intensidades de refino apresentaram os melhores resultados para compósitos reforçados somente com polpa celulósica, mesmo após os envelhecimentos, porém intensidades intermediárias em compósitos híbridos mostraram-se suficientes. A adição das fibras de polipropileno como reforço híbrido teve como ponto forte a manutenção da resistência ao impacto, propriedade esta fortemente afetada pelo envelhecimento acelerado nos compósitos reforçados somente com polpa de sisal. As telhas produzidas mostraram-se mais eficientes no amortecimento térmico do que telhas comerciais de fibrocimento amianto. Melhorias no processo de produção das telhas mostraram efetiva contribuição no desempenho mecânico em relação aos trabalhos anteriores, tanto no curto como no longo prazo. Os resultados também indicaram a utilização da carbonatação acelerada como um procedimento eficiente na mitigação da degradação sofrida pelas fibras celulósicas em meios menos agressivos, no caminho para tornar viáveis os materiais reforçados com fibras vegetais. / Previous studies using exclusively vegetal fibres as the sole reinforcement of cement matrix have propitiated the production of roofing tiles with acceptable performance at the first ages. However, with the natural ageing, the roofing tiles have presented significant reduction in the mechanical performance, attributed to the alkaline attack of the cimentitious matrix mainly. The present research had as objective the improvement of undulate fibrecement roofing tiles without asbestos with automated equipment for production. The study also evaluated the physical, mechanical and microstructural behaviour of the obtained composites. The first stage consisted of evaluating the refinement effect of sisal Kraft pulp on mechanical and physical properties of flat pads based on Ordinay Portland cement and the jointly use of polypropylene fibres (PP). This stage also involved the characterization of the main attributes of refined cellulosic pulps, as well as the microstructural characterization (scanning electron microscopy and mercury intrusion porosimetry) of the resultant material after the accelerated and natural ageing. In the second stage, series of fibrecement roofing tiles were produced by slurry dewatering technique and pressing, using the best parameters of the first stage. Efects of autoclaved curing and accelerated ageing (accelerated carbonation, soak-dry and heat-rain) on mechanical and physical properties of tiles were evaluated. Results showed the great contribution of pulp refinement on mechanical strengh improvement. Higher intensities of refinement provided the best results for composites only reinforced with sisal pulp, despite ageing mechanism. Intermediate refinement revealed to be enough for hybrid composites. Adition of polypropylene fibres as hybrid reinforcement provided toughness maintenance after ageing, which was strongly affected only in sisal reinforced composites. Asbestos free tiles showed to be more efficient on thermal insulating properties than commercial asbestos cement. Improvements on tiles production process showed effective contribution on mechanical performance in relation to the previous works, both at initial ages and after ageing. The results have also indicated the utilization of accelerated carbonation as an effective procedure to mitigate the degradation suffered by the cellulosic fibres in the less aggressive medium, in way of the viability of the cement based materials reinforced by vegetal fibres.

[pt] Os problemas à saúde acarretados pela exposição às fibras minerais do amianto (asbesto) têm motivado esforços para a substituição destas fibras nos diversos componentes que as empregam como matéria prima. Devido às propriedades físicas e mecânicas e estabilidade química do amianto, bem como sua afinidade natural com a matriz cimentícia, o cimento- amianto é um compósito com excepcionais características de resistência e durabilidade a um custo relativamente baixo. Tais características fazem da busca por um reforço alternativo ao asbesto um desafio, mobilizando indústria e pesquisadores desde a década de 70. Neste contexto, considerando sua disponibilidade e características mecânicas, as fibras celulósicas se mostram como alternativa viável, tendo sido empregadas industrialmente como reforço em fibrocimentos há mais de duas décadas. Entretanto, mesmo com a industrialização, alguns aspectos de seu comportamento, principalmente aqueles relacionados à durabilidade, são ainda foco de intensos esforços de pesquisa (no Brasil, o estudo do emprego de fibras celulósicas como alternativa ao amianto teve início em 79, com os trabalhos pioneiros realizados na PUC-Rio). Considerando os principais mecanismos causadores de degradação nos fibrocimentos, todos eles relacionados ao transporte de fluidos pela rede porosa do material, tem-se que o principal método empregado para melhoria nas características de durabilidade é a substituição parcial do cimento por aditivos com alto teor de sílica amorfa finamente moídos. As melhores características assim obtidas decorrem de modificações na estrutura da matriz e, principalmente, da interface. A casca de arroz, é um resíduo agrícola produzido em grande quantidade no Brasil. Quando não empregada como combustível no próprio eneficiamento do arroz ou em outras atividades rurais, a casca de arroz é disposta sem qualquer controle, apresentando-se assim como um problema ambiental. Entretanto, se queimada em condições controladas, a casca de arroz resulta em cinza, CCA, com alto teor de sílica (80- 90 por cento) altamente amorfa, apresentando boa reatividade com o cimento. Portanto, a CCA foi empregada neste trabalho como material de substituição parcial do cimento em compósitos reforçados por polpas de bambu, buscando com isso melhorar as características relacionadas à durabilidade destes fibrocimentos. Foi observado que o emprego de até 30 por cento de CCA com baixo teor de carbono como substituição parcial do cimento resultou em um substancial decréscimo na porosidade da matriz e interface do compósito. Por conseqüência, estes compósitos apresentaram permeabilidade significativamente inferior à daqueles produzidos sem CCA. Com o emprego de CCA com alto teor de carbono (simulando a cinza obtida de queima não controlada, como a realizada no beneficiamento do arroz) é possível obter resultados semelhantes, uma vez que o compósito seja submetido à cura acelerada em autoclave. Neste caso, devem ser empregadas taxas ainda maiores de substituição parcial do cimento por CCA, com os melhores resultados observados em compósitos cujas matrizes compunham-se por 50 por cento da CCA. Além destes aspectos intimamente ligados aos principais mecanismos de degradação dos compósitos, foi observado que a CCA também favorece a aderência interfacial nos compósitos, acarretando em maior resistência mecânica. / [en] Asbestos is regarded as a hazardous material since the 60 s, motivating the efforts for the replacement of these mineral fibres in the vast range of materials in which they are applied as a raw material. Asbestos-cement was the first building material produced in large scale applying natural fibres as reinforcement in cement-based materials. Due the physical and mechanical behaviour and chemical stability of asbestos fibres, as well as their natural affinity with the cementitious matrix, asbestos-cement presents remarkable strength and durability, associated to a relative low cost. Such characteristics make the search for a suitable replacement to asbestos in fibre-cements a challenge, mobilizing industry and researchers since the early 70 s. Considering their availability and mechanical strength, cellulose fibres have proven to be a viable alternative to asbestos, being employed by the industry as reinforcement in fibre-cements for more than two decades. However, in spite of their well established production and commercialization in many parts of the world, some aspects of the cellulose-cement composites behaviour still motivates research efforts, which are mainly focused on durability aspects. The main deterioration mechanisms acting in cellulose-cement composites are all related to fluid transport within the pore network of the composites and the most applied treatment method is the partial replacement of cement by finely ground admixtures with high active silica content. The improvements in the durability aspects of composites are achieved by modifying the characteristics of the matrix and, mainly, the interfacial region. Rice husk is an agricultural residue produced in large scale in Brazil. If not applied as fuel in the rice mills or in others rural activities, the rice husk is disposed without control, resulting in an ecological problem. However, the pyrolysis of rice husk yields ash with high silica content, (80-90 percent). When burned in a proper way, this silica remains amorphous, presenting high reactivity with cement. Due to these characteristics rice husk ash, RHA, is applied in this PUC-Rio - Certificação Digital No 9924941/CA research as the treatment method in cement composites reinforced by bamboo pulp. It was observed that blended cement with up to 30 percent RHA with low carbon content resulted in a significant decrease in the porosity of the matrix and interface of the composite. As a consequence, these blended-cement composites presented water permeability expressively lower than that of the composites produced without RHA. High carbon content RHA was also applied, simulating the use of ash obtained by a non-controlled burning process. Similar results as those observed in composites with low-carbon-content RHA were achieved, once accelerated autoclave curing was applied to the composites. In this case, for better composite properties, higher RHA content must be used, with the best results being observed in composites with 50 percent RHA. Also, besides these aspects closely related to the main deterioration mechanisms of the composites, it was observed that RHA enhances the fiber-matrix interaction in the interface, improving the mechanical behaviour of the composites.